Hva er de fire makromolekylene i livet?

Biologi - eller uformelt livet i seg selv - er preget av elegante makromolekyler som har utviklet seg gjennom hundrevis av millioner av år for å tjene en rekke kritiske funksjoner. Disse er ofte kategorisert i fire grunnleggende typer: karbohydrater (eller polysakkarider), lipider, proteiner og nukleinsyrer. Hvis du har noen bakgrunn innen ernæring, vil du gjenkjenne de tre første av disse som de tre standardmakronæringsstoffene (eller "makroer" i slankespråket) oppført på ernæringsinformasjonsetiketter. Den fjerde gjelder to nært beslektede molekyler som tjener som grunnlag for lagring og oversettelse av genetisk informasjon i alle levende ting.

Hver av disse fire makromolekylene i livet, eller biomolekylene, utfører en rekke oppgaver; som du kanskje forventer, er deres forskjellige roller utsøkt relatert til deres forskjellige fysiske komponenter og arrangementer.

EN makromolekyl er et veldig stort molekyl, vanligvis bestående av gjentatte underenheter kalt monomerer, som ikke kan reduseres til enklere bestanddeler uten å ofre elementet "byggestein". Selv om det ikke er noen standard definisjon av hvor stort et molekyl må være for å tjene "makro" -prefikset, har de vanligvis, minst et tusenvis av atomer. Du har nesten helt sikkert sett denne typen konstruksjon i den ikke-naturlige verden; For eksempel består mange typer tapet, selv om de er forseggjort i design og fysisk omfattende i det hele tatt, av tilstøtende underenheter som ofte er mindre enn en kvadratmeter eller så store. Enda tydeligere kan en kjede betraktes som et makromolekyl der de enkelte leddene er "monomerene".

Et viktig poeng om biologiske makromolekyler er at, med unntak av lipider, deres monomerenheter er polære, noe som betyr at de har en elektrisk ladning som ikke distribueres symmetrisk. Skjematisk har de "hoder" og "haler" med forskjellige fysiske og kjemiske egenskaper. Fordi monomerene går sammen mot hverandre, er makromolekyler i seg selv også polare.

Også alle biomolekyler har store mengder av grunnstoffet karbon. Du har kanskje hørt den typen liv på jorden (med andre ord, den eneste typen vi vet med sikkerhet eksisterer hvor som helst) referert til som "karbonbasert liv", og med god grunn. Men og nitrogen, oksygen, hydrogen og fosfor er også uunnværlig for levende ting, og en rekke andre elementer er i blanding i mindre grad.

Det er en nesten sikkerhet at når du ser eller hører ordet "karbohydrat", er det første du tenker på "mat", og kanskje mer spesifikt, "noe i mat mange mennesker er opptatt av kvitte seg med. "" Lo-carb "og" no-carb "ble begge vekttap moteord i begynnelsen av det 21. århundre, og begrepet" carbo-loading "har eksistert i utholdenhetsidrettssamfunnet siden 1970-tallet. Men faktisk er karbohydrater langt mer enn bare en kilde til energi for levende ting.

Karbohydratmolekyler har alle formelen (CH₂O)_nhvor n er antall tilstedeværende karbonatomer. Dette betyr at forholdet C: H: O er 1: 2: 1. For eksempel har de enkle sukker glukose, fruktose og galaktose formelen C₆H₁₂O₆ (atomene til disse tre molekylene er selvsagt ordnet annerledes).

Karbohydrater er klassifisert som monosakkarider, disakkarider og polysakkarider. Et monosakkarid er monomerenheten av karbohydrater, men noen karbohydrater består av bare en monomer, slik som glukose, fruktose og galaktose. Vanligvis er disse monosakkaridene mest stabile i en ringform, som er avbildet skjematisk som en sekskant.

Disakkarider er sukker med to monomere enheter, eller et par monosakkarider. Disse underenhetene kan være de samme (som i maltose, som består av to sammenføyde glukosemolekyler) eller forskjellige (som i sukrose, eller bordsukker, som består av ett glukosemolekyl og en fruktose molekyl. Bindinger mellom monosakkarider kalles glykosidbindinger.

Polysakkarider inneholder tre eller flere monosakkarider. Jo lenger disse kjedene er, desto mer sannsynlig er det at de har grener, det vil si at de ikke bare er en linje med monosakkarider fra ende til annen. Eksempler på polysakkarider inkluderer stivelse, glykogen, cellulose og kitin.

Stivelse har en tendens til å danne seg i en helix eller spiralform; Dette er vanlig i biomolekyler med høy molekylvekt generelt. Cellulose, derimot, er lineær, og består av en lang kjede av glukosemonomerer med hydrogenbindinger ispedd mellom karbonatomer med jevne mellomrom. Cellulose er en komponent av planteceller og gir dem sin stivhet. Mennesker kan ikke fordøye cellulose, og i dietten blir det vanligvis referert til som "fiber". Kitin er det et annet strukturelt karbohydrat, som finnes i de ytre kroppene av leddyr som insekter, edderkopper og krabber. Kitin er et modifisert karbohydrat, da det er "forfalsket" med rikelig med nitrogenatomer. Glykogen er kroppens lagringsform av karbohydrat; avleiringer av glykogen finnes i både lever og muskelvev. Takket være enzymtilpasninger i disse vevene, er trente idrettsutøvere i stand til å lagre mer glykogen enn stillesittende mennesker på grunn av deres høye energibehov og ernæringsmessige praksis.

I likhet med karbohydrater, er proteiner en del av folks daglige ordforråd på grunn av at de tjener som et såkalt makronæringsstoff. Men proteiner er utrolig allsidige, langt mer enn karbohydrater. Uten proteiner ville det faktisk ikke være noen karbohydrater eller lipider fordi enzymene som trengs for å syntetisere (samt fordøye) disse molekylene i seg selv er proteiner.

Monomerer av proteiner er aminosyrer. Disse inkluderer en karboksylsyre (-COOH) gruppe og en amino (-NH₂) gruppe. Når aminosyrer forbinder seg med hverandre, er det via en hydrogenbinding mellom karboksylsyregruppen på en av aminosyrene og aminogruppen til den andre, med et vannmolekyl (H₂O) frigitt i prosessen. En voksende kjede av aminosyrer er et polypeptid, og når det er tilstrekkelig langt og antar sin tredimensjonale form, er det et fullverdig protein. I motsetning til karbohydrater viser proteiner aldri grener; de er bare en kjede av karboksylgrupper knyttet til aminogrupper. Fordi denne kjeden må ha en begynnelse og en slutt, har den ene enden en fri aminogruppe og kalles N-terminalen, mens den andre har en fri aminogruppe og kalles C-terminalen. Fordi det er 20 aminosyrer, og disse kan ordnes i hvilken som helst rekkefølge, er sammensetningen av proteiner ekstremt variert selv om det ikke forekommer forgrening.

Proteiner har det som kalles primær, sekundær, tertiær og kvartærstruktur. Primærstruktur refererer til sekvensen av aminosyrer i proteinet, og den er genetisk bestemt. Sekundær struktur refererer til bøying eller kinking i kjeden, vanligvis på en repeterende måte. Noen konformasjoner inkluderer en alfa-helix og et beta-plissert ark, og skyldes svake hydrogenbindinger mellom sidekjeder av forskjellige aminosyrer. Tertiær struktur er vridning og krølling av proteinet i tredimensjonalt rom og kan involvere disulfidbindinger (svovel til svovel) og hydrogenbindinger, blant andre. Til slutt refererer kvaternær struktur til mer enn en polypeptidkjede i samme makromolekyl. Dette skjer i kollagen, som består av tre kjeder vridd og viklet sammen som et tau.

Proteiner kan tjene som enzymer som katalyserer biokjemiske reaksjoner i kroppen; som hormoner, slik som insulin og veksthormon; som strukturelle elementer; og som cellemembran-komponenter.

Lipider er et mangfoldig sett med makromolekyler, men de deler alle egenskapen til å være hydrofobe; det vil si at de ikke oppløses i vann. Dette er fordi lipider er elektrisk nøytrale og derfor ikke-polare, mens vann er et polært molekyl. Lipider inkluderer triglyserider (fett og oljer), fosfolipider, karotenoider, steroider og voks. De er hovedsakelig involvert i dannelse og stabilitet av cellemembran, danner deler av hormoner og brukes som lagret drivstoff. Fett, en type lipid, er den tredje typen makronæringsstoffer, med karbohydrater og proteiner diskutert tidligere. Via oksidasjon av de såkalte fettsyrene, tilfører de 9 kalorier per gram i motsetning til de 4 kaloriene per gram som leveres av både karbohydrater og fett.

Lipider er ikke polymerer, så de kommer i en rekke former. I likhet med karbohydrater består de av karbon, hydrogen og oksygen. Triglyserider består av tre fettsyrer bundet til et molekyl av glyserol, en tre-karbon alkohol. Disse fettsyrekjedene er lange, enkle hydrokarboner. Disse kjedene kan ha dobbeltbindinger, og hvis de gjør det, gjør det fettsyren umettet. Hvis det bare er en slik dobbeltbinding, er fettsyren det enumettet. Hvis det er to eller flere, er det det flerumettet. Disse forskjellige typene fettsyrer har forskjellige helsemessige konsekvenser for forskjellige mennesker på grunn av deres innvirkning på veggene i blodkarene. Mettet fett, som ikke har dobbeltbindinger, er fast ved romtemperatur og er vanligvis animalsk fett; disse har en tendens til å forårsake arterielle plakk og kan bidra til hjertesykdom. Fettsyrer kan manipuleres kjemisk, og umettede fettstoffer som vegetabilske oljer kan gjøres mettede slik at de er faste og praktiske å bruke ved romtemperatur, som margarin.

Fosfolipider, som har et hydrofobt lipid i den ene enden og et hydrofilt fosfat i den andre, er en viktig komponent i cellemembraner. Disse membranene består av et fosfolipid dobbeltlag. De to lipiddelene, som er hydrofobe, vender mot utsiden og det indre av cellen, mens de hydrofile halene av fosfat møtes i midten av dobbeltlaget.

Andre lipider inkluderer steroider, som fungerer som hormoner og hormonforløpere (f.eks. Kolesterol) og inneholder en serie særegne ringstrukturer; og voks, som inkluderer bivoks og lanolin.

Nukleinsyrer inkluderer deoksyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). Disse er veldig like strukturelt, da begge er polymerer hvor de monomere enhetene er nukleotider. Nukleotider består av en pentosesukkergruppe, en fosfatgruppe og en nitrogenholdig basegruppe. I både DNA og RNA kan disse basene være av fire typer; Ellers er alle nukleotidene i DNA identiske, i likhet med RNA.

DNA og RNA er forskjellige på tre hovedmåter. Det ene er at i DNA er pentosesukkeret deoksyribose, og i RNA er det ribose. Disse sukkerne skiller seg med nøyaktig ett oksygenatom. Den andre forskjellen er at DNA vanligvis er dobbeltstrenget og danner den dobbelte helixen som ble oppdaget på 1950-tallet av Watson og Cricks team, men RNA er enkeltstrenget. Det tredje er at DNA inneholder nitrogenholdige baser adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T), men RNA har uracil (U) erstattet av tymin.

DNA lagrer arvelig informasjon. Lengder av nukleotider utgjør gener, som inneholder informasjonen, via de nitrogenholdige basesekvensene, for å produsere spesifikke proteiner. Mange gener utgjør kromosomer, og summen av en organisms kromosomer (mennesker har 23 par) er dens genomet. DNA brukes i transkripsjonsprosessen for å lage en form for RNA som kalles messenger RNA (mRNA). Dette lagrer den kodede informasjonen på en litt annen måte og flytter den ut av cellekjernen der DNA er og inn i cellecytoplasma, eller matrise. Her starter andre typer RNA prosessen med translasjon, der proteiner blir laget og sendt over hele cellen.